CN101852890A

CN101852890A - 基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法

Info

Publication number: CN101852890A
Application number: CN201010028052A
Authority: CN
Inventors: 龚元; 饶云江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2010-10-06

Abstract

本发明公开了一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，包括以下步骤：将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除后浸入氢氟酸溶液进行腐蚀，氢氟酸溶液表面覆盖一层异辛烷防止腐蚀液挥发；光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉；在腐蚀液表面，由于液面张力的作用，光纤端被腐蚀成锥形；当渐变折射率多模光纤的长度满足一定条件时，可实现单光纤光镊。本发明利用腐蚀方法制作单光纤光镊，该方法成本低、步骤简单、重复性好、可批量制作光纤光镊，还可以通过控制光纤长度来调节光纤光镊的作用距离。

Description

基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光镊，具体涉及一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法。

背景技术

光镊是Askin于1986年提出的，见Optics Letters，11(5)，288-290，1986，其原理是基于一大数值孔径的会聚透镜形成一束高度会聚光，在会聚点附近的微粒由于受到较大的梯度力，可以克服其自身重力和散射力而被捕获，捕获之后可以进行三维移动。传统的光镊体积大，操作不方便。1993年Constable等人提出了一种基于光纤端面的双光束光镊，见Optics Letters，18(21)，1867-1869，1993，其后很长一段时间内，后来被发展成为光学拉伸器(Optical Stretcher)，见Biophysical Journal，81，767-784，2001。这种光纤双光束光镊的体积大大减小，但不能实现微粒的三维操控。

专利号为ZL200710072626.3的中国发明专利“小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法”公开了一种单光纤光镊制作方法，采用光纤芯径小于3微米，数值孔径大于0.33，并采用研磨的方法形成30-120°锥角。该方法采用的光纤属于特种光纤，必须专门定制，成本较高。专利号为ZL200610151087.8的中国发明专利“抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法”公开了一种单光纤光镊制作方法，采用熔融拉锥的方式制作，其制作重复性较难保证。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，该方法能克服现有技术中所存在的缺陷，成本低、步骤简单、重复性好、适宜批量制作。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，包括以下步骤：

①将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，清洁后放入氢氟酸溶液，在氢氟酸溶液表面覆盖一层异辛烷，防止氢氟酸挥发；

②经过时间t的腐蚀，光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉，在腐蚀液表面，由于液面张力的作用，光纤端被腐蚀成锥形得到光纤锥；

③清洗掉步骤②得到的光纤锥上残余的腐蚀液，然后吹干或者晾干；

④步骤③得到的渐变折射率多模光纤一端为光纤锥，将另一端切割，切割长度为L，L满足L_min＜L＜L_max，其中L_max＝mp，L_min＝(m-1/4)p+r_maxtanβ，m为正整数，p为渐变折射率多模光纤的数值孔径，r_max为子午光线在径向偏离光纤轴线的最大值，β为腐蚀制作的光纤锥半角，β满足β＞θ(0)，θ(0)为子午光线在渐变折射率多模光纤中传输时与光纤轴线的最大夹角；

⑤将步骤④所得的切割端与普通单模光纤熔接，当一束激光耦合进普通单模光纤时，渐变折射率多模光纤锥的输出光场形成一单光纤光镊。

按照本发明所提供的基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，其特征在于，步骤②的腐蚀时间t＞t₀，t₀为渐变折射率多模光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉所需的时间。

按照本发明所提供的基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，其特征在于，步骤①中清洁采用脱脂棉或无尘纸清洁；步骤③中晾干过程是置于无尘环境中晾干，吹干过程采用吹风机吹干。

本发明的有益效果是：本发明利用氢氟酸腐蚀液表面张力将渐变折射率光纤腐蚀成光纤锥，可以加大光场的会聚角，形成较大的梯度力，更容易形成光镊。另一方面，采用渐变折射率多模光纤，利用其自聚焦特性，并选择适当的光纤长度来控制出射光场的会聚角，通过这种方法来调节该单光纤光镊的捕获能力和作用距离。该基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，具有成本低、步骤简单、重复性好、适宜批量制作等优点。

附图说明

图1为腐蚀渐变折射率多模光纤的示意图；

图2为腐蚀前渐变折射率多模光纤的结构示意图；

图3为腐蚀过程中渐变折射率多模光纤结构示意图；

图4为腐蚀后形成的渐变折射率多模光纤锥的结构示意图；

图5为渐变折射率多模光纤中光的传输路径及出射光束的几何光学示意图；

图6为渐变折射率多模光纤中光的传输路径及光纤锥的出射光束的几何光学示意图；

图7为单光束光镊系统的结构示意图；

其中，1、塑料容器，2、氢氟酸溶液，3、异辛烷，4、渐变折射率多模光纤，5、氢氟酸—异辛烷界面，6、渐变折射率多模光纤包层，7、渐变折射率多模光纤纤芯，8、微孔，9、渐变折射率多模光纤锥，10、微球，11、稳定捕获点，12、激光器，13、光纤耦合器，14、功率计，15、普通单模光纤，16、光纤锥，17、样品液滴，18、载物台，19、光源，20、滤光片，21、透镜，22、物镜，23、摄影目镜，24、CCD，25、三维精密位移台。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：

基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，包括以下步骤：在塑料容器1中放入适量氢氟酸溶液2，将渐变折射率多模光纤4涂覆层剥除后，用脱脂棉或无尘纸清洁光纤包层表面，将清洁后的渐变折射率多模光纤放入氢氟酸溶液2中，如图1所示；然后在氢氟酸溶液表面覆盖一层异辛烷3，防止氢氟酸挥发，腐蚀前渐变折射率多模光纤如图2所示，氢氟酸—异辛烷界面5与光纤包层接触的部分由于液面张力形成一定的弧度，经过一段时间的腐蚀，光纤在腐蚀液面以下的部分逐渐被腐蚀掉，这一般分为两部分，一部分是腐蚀液从包层6沿径向向纤芯7腐蚀，同时腐蚀液也从光纤端面开始腐蚀；一般说来，纤芯掺杂如掺锗会导致纤芯的腐蚀速度比包层快，因此会在纤芯部分形成一个微孔8，由于氢氟酸—异辛烷界面5液面张力的作用，光纤端被腐蚀成光纤锥9；清洗掉光纤锥上残余的腐蚀液，然后置于无尘环境中晾干或用吹风机吹干；将光纤锥的另一端切割，切割后的光纤端与普通单模光纤熔接。切割后的光纤端面到光纤锥尖端的长度L必须满足L_min＜L＜L_max，其中L_max＝mp，L_min＝(m-1/4)p+r_maxtanβ，m为正整数，p为渐变折射率多模光纤的数值孔径，r_max为光线轨迹在径向偏离光纤轴线的最大值，β为腐蚀制作的光纤锥半角。当一束激光耦合进普通单模光纤时，渐变折射率多模光纤锥9的输出光场形成一单光纤光镊。

图5为渐变折射率多模光纤中光的传输路径及出射光束的几何光学示意图。根据几何光学理论，光在渐变折射率多模光纤中会发生周期性的会聚。图5中的Ln表示渐变折射率多模光纤的节距，θ表示出射光场与z轴的夹角。一般而言，若渐变折射率多模光纤的节距远大于光纤纤芯，近轴光线在光纤中以周期为Ln的正弦波轨迹传输，此时图5中出射光场与z轴的夹角θ较小，很难直接形成较大的梯度力从而构成光镊。通过上述腐蚀过程制作渐变折射率多模光纤锥9，并通过选择渐变折射率多模光纤的长度，从而使出射光场高度会聚，形成光镊。如图6所示，当光纤锥输出的会聚光场作用于微球10时，在光镊力的作用下微球10被捕获并束缚在会聚点附近的区域11。

以下是本发明的具体实施例：

采用980nm激光器12激发单光纤光镊。激光器12输出的激光经光纤耦合器13分为两束，耦合比为1：99，其中一束由功率计14监测激光功率，另一束经一段普通单模光纤15连接渐变折射率多模光纤锥16。光纤锥16在样品液滴17中捕获微球或生物样品微粒。样品液滴放置于载物台18上。单光纤光镊捕获操控微球的过程由光学观测系统实时监测，观测系统包括光源19、滤光片20，透镜21，物镜22，摄影目镜23，CCD24。CCD相机一般与计算机连接，便于显示和记录。光纤锥的位置可通过三维精密位移台25来调节，从而实现微球或微粒的三维移动。

Claims

1.一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，其特征在于，步骤②的腐蚀时间t＞t₀，t₀为渐变折射率多模光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉所需的时间。

3.根据权利要求1所述的基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，其特征在于，步骤①中清洁采用脱脂棉或无尘纸清洁；步骤③中晾干过程是置于无尘环境中晾干，吹干过程采用吹风机吹干。